[노아홍수] 사층리와 노아의 홍수

[넓은가슴]

사층리와 노아의 홍수

이재만

퇴적암의 구조에서 쉽게 발견되는 사층리는 형성 당시의 물의 방향, 유속, 수심, 퇴적물의 양, 그리고 지층의 역전관계 등을 가늠할 수 있게 하는 좋은 자료가 되고 있다.

퇴적암의 구조 중에 사층리(cross bedding)가 있다. 사층리는 하나의 층 안에 경사를 이룬 여러 결(층리)들을 보이는 퇴적구조이다. 가장 유명한 것은 유타주의 자이언(Zion) 캐년의 사층리인데, 마치 항아리를 빚은 후 빗자루로 쓸면서 무늬를 만든 것같은 독특함을 보여준다(그림 1). 이들은 주로 비교적 균일한 모래크기의 입자들로 구성되어 있다. 사층리는 퇴적암에서 어렵지 않게 발견되는 구조 중의 하나로, 그 규모는 높이가 수 센티에서 수십 미터에 이르기까지 다양하다. 지질학자들은 사층리를 발견할 경우 그 모양을 보고 형성 당시의 물의 방향, 유속, 수심, 퇴적물의 양, 그리고 지층의 역전관계를 가늠해 볼 수 있는 좋은 자료로 이용한다 (그림 2).



그림 1 : 유타주 자이언 캐년에 있는 사층리를 보여주는 체커보드 메사 (Checkerboard Mesa)



그림 2 : 사층리는 형성될 당시 유수의 방향, 수심, 유속, 퇴적물의 양,
지층의 역전관계를 추정하는 좋은 자료로 사용된다.

퇴적입자들은 두 가지의 메커니즘에 의해 물 속과 공기 중으로 이동된다. 하나는 뜬짐(suspended load) 이고, 다른 하나는 밑짐(bed load)의 형태이다 (그림 3). 단순하게 구분하자면, 뜬짐은 입자의 크기가 아주 작은(실트 크기 이하) 퇴적물이 떠서 이동하는 매커니즘을 말하며, 밑짐은 입자의 크기가 상대적으로 큰, 적어도 모래 크기 이상의 퇴적물들이 구르면서, 또는 튀면서 이동하는 메커니즘을 말한다.



그림 3 : 퇴적 입자의 운반 메커니즘 (saltation: 뛴짐 / rolling: 구르는 짐 / suspension: 뜬짐) : 뛴짐과 구르는 짐은 밑짐으로 분류되며, 퇴적물의 운반은 그림과 같은 메커니즘에 의해서 이루어진다.

사층리는 이러한 매커니즘 가운데 밑짐에 의해서 구르거나 튀면서 운반된 입자들이 퇴적되어 만들어진 퇴적구조이다. 그렇다면 현재 일어나는 퇴적환경 가운데 밑짐의 이동을 잘 보여주는 곳은 어디일까? 바로 모래를 운반시킬만한 유속과 수심이 있는 강이 그 가장 훌륭한 장소인데, 이 모래들은 운반되어 유속이 감소하는 강 하류에 퇴적될 것이다. 또한 바람이 강하게 불며 모래가 많은 사막과 같은 곳이 가능한 환경일 것이다. 초기의 지질학자들은 사층리를, 현재 사막에서 만들어지는 모래언덕과 같이 바람에 의한 운반과 퇴적의 결과로 해석하는 경우가 많았었다. 그러나 최근의 실험에 기초한 연구로 사층리는 물 속에서 형성되는 것으로 재해석되고있는 것이 현실이다.

가장 유명한 그랜드캐년의 예를 들어보자. 그랜드캐년에는 사암으로 구성된 층들이 많이 있는데, 그 중에서도 특히 대부분이 사암으로만 구성되어 있는 층은 코코니노 사암(Coconino sandstone)이다(그림 4). 이들은 기존에는 육지에서 서식하는 파충류의 발자국 화석이 발견되었다는 등의 이유로 사막언덕(desert dune)을 형성하는 과정으로 해석되었었다. 그러나 최근의 연구는 이러한 해석을 거의 부정하고 있으며, 물의 운반에 의해 형성되었다는 것으로 의견의 일치를 보고 있다.



그림 4 : 그랜드 캐년의 코코니노 사암이 보여주는 사층리. 사람과 비교해 보아 그 크기를 짐작할 수 있다.

브랜드(Leonar Brand)는 실험실에서 파충류와 양서류의 발자국 화석 형성 과정을, 물에 잠긴 모래, 젖은 모래, 마른 모래에서 각각 실험해 보았는데, 이러한 양상의 발자국들은 물에 잠긴 모래에서밖에 형성되지 않는다는 결론을 얻었다. 창조론자도 아닌 비셔(Glen Visher) 역시 코코니노 사암 사층리의 결(층리) 경사(25도)가 일반 바람에 의해 형성된 사층리의 경사도(30 - 34도)보다 낮다는 사실을 지적하며, 전형적인 빠른 유속의 물 속에서 형성된 모습을 보여준다고 언급했다. 특히 그는 대표적인 뛴짐(saltation: 밑짐의 일종)으로 형성된 네 지역의 모래를 비교, 조사해 보았는데, 이들 비교연구는, 입자 크기가 단일한 패턴을 보이는 사막언덕의 사층리와는 달리, 코코니노 사암층은 두 종류의 입자 패턴을 보이는, 전형적으로 물에 의해 운반된 패턴임을 보여준다.

그랜드 캐년의 경우뿐만 아니라, 기존의 바람에 의해서 형성되었다고 하는 그밖의 사층리들 또한 물에 의해 이동된 모래의 퇴적구조로 재해석되고 있는 것이 사실이다.

루빈(Rubin)과 맥쿨로크(Mcculloch)는 모래파(sand wave)와 수심, 그리고 퇴적구조와의 관계를 체계적으로 정리하였는데, 이들의 연구에서 나온 다음의 도표(그림 5)는 연흔(물결자국= ripples), 사층리, 수평층리 등이 어떠한 수심과 유속 상태에서 형성되는가 하는 것을 잘 나타내고 있다.



그림 5 : 퇴적구조를 통해 퇴적 당시의 유속과 수심을 예상할 수 있다. (water depth: 수심 / sand wave height: 모래 파의 높이 / water velocity: 유속 / no movement: 밑짐이 이동치 않음 / ripples : 연흔 / dunes & sand waves: 사층리 / upper flat bed: 수평층리)

이 도표는, 사층리가 80-160cm/sec 유속의 범주 내에서, 그리고 30-100m의 수심에서 형성된다는 것을 보여준다. 또한 이들의 연구와 함께 사층리의 높이로 수심을 예측할 수 있는 공식도 유도되었다 : D = 7.85 H 0.84 (D= 수심, H= 사층리의 높이). 이것을 적용하여 그랜드캐년의 사층리가 형성될 당시 물의 깊이를 계산해 보면 50 m 이상에 해당되며, 유속은 100 cm/sec 이상이 된다. 지금까지 허리케인이 기록된 이래로 ,50 m 깊이의 물 속에서 100 cm/sec의 유속을 가졌던 경우가 없는 것으로 볼 때, 당시의 상황이 어마어마한 격변이었음을 상상할 수 있다. 가장 극심한 파도를 동반하는 사건은 지진에 기인한 해일(tsunami)인데 이는 500 cm/sec의 높은 유속을 일으킨다.

이 도표와 공식은 가는 모래를 기준으로 실험한 것인 반면, 실제로 사층리는 굵은 모래를 보여주는 경우가 많고, 때때로 엄지손가락만한 크기의 모래로 구성되어 있는 것도 있다. 이러할 경우 그 유속과 깊이는 훨씬 높을 것으로 예상해야 할 것이다.

그렇다면 마지막 남은 문제는 이러한 엄청난 모래들이 어디에서 온 것일까 하는 것이다. 북미 대륙을 보더라도 나바호(Navajo)-너겟(Nugget)-아즈텍(Aztec)사암은 캘리포니아, 네바다, 아리조나, 유타주에 두루 걸쳐 펼쳐져 있는데, 그 면적은 일만 평방마일이나 된다. 이들 사암들을 구성하고 있는 입자들은 화강암, 편마암, 편암의 기반암이 침식되어 운반되어 온 것이거나, 먼저 퇴적된 모래 퇴적물에서 비롯된 것들이다. 과연 이러한 기반암들이 오늘날과 같은 과정을 통하여 이 엄청난 양의 모래를 생산할 수 있었을까?

이제까지 우리는 사층리에서 발견된 화석, 사층리가 형성되는 과정과 환경 등을 알아보았다. 이들은 과거 형성 당시에 어떠한 갑작스런 큰 사건이 있었을 것이라는 가정을 떨칠 수 없게 한다. 정상적인 실험적 방법이 지질학에 적용됨에 따라, 지질과정에 대한 해석이 기존의 동일과정설에 입각한 철학적인 해석에서 벗어나 격변적 해석으로 옮겨가는 추세는 사층리에 대해서도 예외가 아니다.

사층리는 그리 특별한 퇴적구조가 아니어서 세계의 곳곳, 퇴적암이 있는 곳이라면 어느 곳에서나 쉽게 발견할 수 있다. 물론 한국도 예외는 아니다.

사층리를 발견하게 될 때 우리는 무슨 생각을 할 수 있을까? 기존의 암석들이 깨어지고, 부서지고, 지진이 수반되고, 엄청난 양의 물이 있어서, 그 물의 급속한 속도로 이들이 운반되고, 다시 퇴적되고....

독자분들께서 직접 사진에 나타난 사층리의 높이를 적용하여 이것이 형성될 당시의 수심을 계산해 보는 것도 흥미로운 일일 것이다 (그림 6). 또한 이렇게 깊이를 계산해 볼 때마다, 우리는 다음의 성경구절이 뜻하는 바, 전 지구를 덮었던 어마어마한 물의 흉용을 머리에 그려볼 수 있을 것이다.

'물이 창일하매 천하의 높은 산이 다 덮였더니...' (창세기 7:19)



참고문헌
1. Austin, Steven, Grand Canyon Monument to Catastrophe, ICR, 1994.
2. Beus, S. & M. Morales, For a discussion of evidences of water deposition of the toroweap and hermit formations, Grand Canyon Geology, New York, Oxford university press, 1990.
3. Brand, l. R., Field and laboratory studies on the coconino sandstone vertebrate footprints and their paleocological implications, palaeogeography, palaeoclimatology, palaeoecology, 28, pp. 25-38, 1979.
4. Brand, l. R. & T. Tang, Fossil vertebrate footprints in the coconino sandstone of northern arizona: Evidence for underwater origin, Geology 19, pp. 1201-1204, 1991.
5. Monastersky, R., Wading newts may explain enigmatic tracks, Science News, 141, p. 5, 1992.
6. Visher, Glen S., Exploration stratigraphy, Tulsa, Oklahoma, Penn Well Publishing co., pp. 211-213, 1990.
7. Visher, Glen S. & J. D. Howard, dynamic relationship between hydraulics and sedimentation in the altamaha estuary, Jounal of Sedimentary Petrology, 44, pp. 502-521, 1974.
8. Rubin D. M. & D. S. Mcculloch, single and superimposed bedforms: a synthesis of san francisco bay and flume observations, Sedimentary Geology 26, pp. 207-231, 1980